Αρχείο Tech: Νέος αισθητήρας πίεσης κυλίνδρου βοηθά στη βελτιστοποίηση μεγάλων κινητήρων

Από τον Jürg Stadler • 9 Φεβρουαρίου 2018

Οι βέλτιστες μέθοδοι μέτρησης πίεσης εξοικονομούν καύσιμο

Η αποτελεσματικότητα των μεγάλων κινητήρων, όπως εκείνων που χρησιμοποιούνται σε εμπορικά πλοία, μπορεί να αυξηθεί με τη βοήθεια αισθητήρων πίεσης κυλίνδρων που παρακολουθούν με ακρίβεια τη διαδικασία καύσης. Υπάρχει μια αυξανόμενη τάση προς τους κινητήρες φυσικού αερίου και των δύο καυσίμων (ντίζελ και αέριο) παράλληλα με τους συμβατικούς κινητήρες ντίζελ που χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως. Αυτοί οι εναλλακτικοί τύποι κινητήρων αποσκοπούν στην ενίσχυση της περιβαλλοντικής συμβατότητας, μειώνοντας παράλληλα την κατανάλωση καυσίμου καθώς και τις εκπομπές CO2. Υπάρχουν όμως και άλλες συνέπειες της χρήσης τους: οι διεργασίες καύσης καθίστανται πιο περίπλοκες και πρέπει να ελέγχονται με τη βοήθεια της μέτρησης πίεσης κυλίνδρου (CLCC - Closed Loop Combustion Control). Η παρακολούθηση των διαδικασιών καύσης εντοπίζει τους πιθανούς τρόπους βελτιστοποίησης της πίεσης του κυλίνδρου. Για παράδειγμα, η αύξηση της πίεσης αιχμής κατά 1 bar μπορεί να μειώσει την κατανάλωση καυσίμου κατά 0,2-0,25g / kWh.

Για περισσότερα από 20 χρόνια, η Marine & Stationary Division της Kistler Group προσέφερε εξαρτήματα και συστήματα που χρησιμοποιούν τη μέτρηση πίεσης κυλίνδρων ως βάση για τη βελτιστοποίηση μεγάλων κινητήρων, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας. Το χαρτοφυλάκιο λύσεων της Kistler κυμαίνεται από την τακτική διάγνωση κινητήρα και τη συνεχή επιχειρησιακή παρακολούθηση σε προσαρμοσμένους αισθητήρες για συστήματα CLCC.

Οι κορυφαίες προτεραιότητες στην ανάπτυξη μεγάλων κινητήρων περιλαμβάνουν μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και παρακολούθηση των διαδικασιών καύσης. Πολλοί μεγάλοι κατασκευαστές κινητήρων, ναυπηγοί, ναυτιλιακές εταιρείες και φορείς εκμετάλλευσης σταθμών ηλεκτροπαραγωγής έχουν εμπιστοσύνη στην εμπειρογνωμοσύνη παρακολούθησης της καύσης που έχει συγκεντρώσει η Kistler εδώ και πολλά χρόνια.

Ισχυρή και εξαιρετικά ακριβής

Ο αισθητήρας πίεσης κυλίνδρων υψηλής απόδοσης Type 6635A1 αποτελεί μια νέα προσθήκη στο εξειδικευμένο χαρτοφυλάκιο τεχνολογίας μέτρησης της Kistler. Ακόμη και υπό υψηλά θερμικά φορτία και καταπονήσεις που προκαλούνται από κραδασμούς, αυτός ο αισθητήρας εξασφαλίζει εξαιρετικά δυναμική λήψη σήματος με εξαιρετική ακρίβεια μέτρησης. Ο νέος πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας της Kistler διαθέτει μια σειρά σχεδιαστικών χαρακτηριστικών που την καθιστούν ιδανική για χρήση σε μεγάλους κινητήρες καύσης. Στην καρδιά του νέου αισθητήρα είναι μια προηγμένη ανάπτυξη του κρυστάλλου PiezoStar με εξαιρετικές ιδιότητες: για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε θερμοκρασίες μέχρι 350 ° C. Ο τύπος 6635A1 έχει επίσης ένα πατενταρισμένο διάφραγμα διαμορφωμένο ώστε να συνδυάζει την ακρίβεια με τη δύναμη. Ένα άλλο πλεονέκτημα: οι αιχμηρές κυκλικές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας που προκαλούνται από το μέτωπο της φλόγας καύσης βελτιστοποιούνται με προσομοίωση FEM (Μέθοδος Πεπερασμένων Στοιχείων), με επακόλουθη δοκιμή και επικύρωση στον αισθητήρα. Το προστατευτικό κάλυμμα που προστατεύεται από το προστατευτικό κάλυμμα (επίσης προστατευμένο με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από την Kistler) εξασφαλίζει τη μηχανική αποσύνδεση του αισθητήρα από το περίβλημα, έτσι εξασφαλίζεται ένα σταθερό σήμα μέτρησης ακόμη και σε περίπτωση υψηλότερων πιέσεων που προκαλούν παραμόρφωση των κυλινδροκεφαλών. Ένα τρίτο κρίσιμο χαρακτηριστικό σχεδιασμού είναι το κεραμικό καλώδιο που στεγανοποιεί ερμητικά το στοιχείο μέτρησης.

Αντί για μια μη θετική σύνδεση, η απαιτούμενη μετάδοση σήματος στην εμβέλεια milivolt και picoampere υλοποιείται μέσω δεσμού ουσίας-ουσίας, επομένως δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη όπως συνδετήρες. Ο συνδυασμός συγκολλημένου και πτυχωτού συνδέσμου προσφέρει εξαιρετική αντίσταση έναντι των κραδασμών, όπως έχει αποδειχθεί με σαφήνεια σε μακροχρόνιες δοκιμές. Για να εκτελέσει ολοκληρωμένη επικύρωση του νέου αισθητήρα, η Kistler ανέπτυξε μια ειδική δοκιμή ρύθμισης για δοκιμές καθ 'όλη τη διάρκεια της ζωής, η οποία επιτρέπει την παρακολούθηση των σύνθετων τάσεων σε ένα μεγάλο κινητήρα. Η σειρά δοκιμών έδειξε ότι ο νέος σχεδιασμένος αισθητήρας πίεσης κυλίνδρου τύπου 6635A1 προσφέρει εξαιρετική αντοχή με σταθερά χαρακτηριστικά μέτρησης - χαρακτηριστικά που διασφαλίζουν μακροπρόθεσμη σταθερότητα. Εντούτοις, απαιτούνται πάντα δοκιμές πεδίου με τον συγκεκριμένο κινητήρα για την οριστική επικύρωση.

Εξαιρετικά ευαίσθητο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο

Από το 1998, η Kistler έχει αναπτύξει τους δικούς της κρυστάλλους PiezoStar οι οποίοι επεξεργάζονται στις μηχανές CNC πέντε αξόνων της εταιρείας στο Winterthur της Ελβετίας. Αυτοί οι κρύσταλλοι ανήκουν στην οικογένεια ασβεστίου-γαλλομανερμανικού τύπου ενώσεων τύπου χαλαζία, όπως του λαγγασίτη (La3Ga5SiO14) που προσφέρουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

Η νέα γενιά κρυστάλλων βελτιστοποιήθηκε ειδικά για τη μέτρηση της πίεσης του κυλίνδρου. Είναι ιδιαίτερα ανθεκτικές επειδή η ευαισθησία τους έχει πολύ χαμηλή εξάρτηση από τη θερμοκρασία και έχουν υψηλό βαθμό ηλεκτρικής μόνωσης.

Ο συγγραφέας

Ο Jürg Stadler είναι επικεφαλής του μηχανικού θαλάσσιου και σταθμευμένου στο Kistler.